Природа ионизирующего излучения

Термин «ионизирующее излучение» объединяет различные по своей физической природе виды излучений, обладают способностью ионизировать вещество. Человеческий организм не имеет органа, который мог бы воспринимать ионизирующее излучение.

Электромагнитное излучение включает часть спектра, начинается с жесткого ультрафиолета, переходит в рентгеновское излучение и заканчивается гамма-излучением. В практике для обозначения всех видов электромагнитного ионизирующего излучения пользуются термином гамма-излучения, так как часто его доля в общем потоке наибольшая. Жесткое ультрафиолетовое излучение - это самая коротковолновая часть ультрафиолетового излучения, оно, как и рентгеновское, генерируется атомами или молекулами в результате изменения состояния электронов на внешних оболочках.

Альфа-излучение(а) - поток положительно заряженных частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов и по структуре соответствуют ядрам атомов гелия, называемых а-частицами и обладают высокой ионизирующей и малой проникающей способностью. Известно около 40 природных и 200 искусственных альфа-активных изотопов. В воздухе альфа-частицы пролетают несколько сантиметров, хорошо задерживаются веществами, в кожу проникают на глубину до 0.1 мм. Наибольшую опасность а-излучения составляет при внутреннем облучении организма и аппликации на кожу.

Бета-излучение(β) - поток электронов или позитронов, называются β-частицами. Излучаются атомными ядрами при бета-распаде радиоактивных изотопов. При взаимодействии β-частиц с веществом образуется рентгеновское излучение. Ионизирующая способность бета-излучения меньше, чем у альфа-излучения, а проникающая способность выше. Наиболее энергетические β-частицы могут проникнуть через слой алюминия до 5 см.

Гамма-излучение(γ) - электромагнитные волны с частотой 3∙10¹⁹ Гц и более, обладают высокой проникающей способностью. Гамма-излучение возникает при ядерных взрывах, распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество. Используется в медицине (лучевая терапия), для стерилизации помещений, аппаратуры, лекарств, продуктов питания. Наиболее эффективно ослабляется материалами с высокой плотностью.

Потоки нейтронов, протонов возникают при ядерных реакциях их действие зависит от энергии частиц. Обычно потоки нейтронов по уделяют на медленные (холодные), быстрые и сверхбыстрые.

Для измерения радиоактивности используется целый ряд единиц. В практике радиационных исследований до сих пор используются старые внесистемные единицы (система СГС) и единицы системы СИ, затрудняет восприятие информации. В таблице 3.1 приведены единицы радиоактивности в обеих системах и перевод их из одной системы в другую.

Количественной характеристикой источника излучения является активность. Для измерения активности (мера количества радиоактивного вещества, выраженная числом радиоактивных распадов в единицу времени) применяется единица беккерель (Бк) (фр. Ьесциегеи - по имени фр. Физика А. Беккереля (А. Вес ^ ие ^ е1), численно равен одному ядерному превращению в секунду (распад / с). внесистемной единицей активности является кюри (Ки), что соответствует активности 1 г радия или 3,7 ∙ ИО10 распаду в секунду.

Экспозиционная доза характеризует ионизирующее способность излучения в воздухе, то есть потенциальные возможности ионизирующего излучения. За единицу дозы в системе СИ принят Кулон разделен на килограмм (Кл/кг) - это такая доза излучения, при которой в 1 кг сухого воздуха возникает такое количество ионов, имеющих заряд 1 кулон электричества каждого знака. Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р) - одна из наиболее распространенную единиц измерения радиоактивности.

Поглощенная доза характеризует энергию ионизирующего излучения (независимо от вида излучения), которая поглощена единицей массы облученного среды. Единица измерения поглощенной дозы в системе СИ - грей (Гр), внесистемная единица - рад. При подсчетах экспозиционную дозу приравнивают к поглощенной 1Р = 1рад, однако для точных расчетов необходимо учитывать, что 1 Р соответствует поглощенная доза в воздухе - 0,87 советов, в воде и живой ткани - 0,93 советов.

Таблица 3.1 - Единицы измерения радиоактивности, перевод

единиц системы СГС в систему СИ

Продовження табл. 3.1

Биологический эффект ионизирующего излучения чрезвычайно сильный и не может быть сопоставима с действием любого другого вида энергии. Однократная смертельная доза ионизирующего излучения для человека составляет 5 Гр, т.е. соответствует поглощенной энергии излучения 5 Дж/кг. Такое количество тепловой энергии расходуется на нагревание стакана воды до 100° С или на нагрев тела человека не более, чем на 0,001 °С.

Поглощенная доза не отражает биологическое действие радиации, а только свидетельствует о количестве поглощенной энергии. Для оценки биологического воздействия различных видов ионизирующих излучений на организм человека используется эквивалентная доза в системе СИ измеряется в Зиверт (Зв), в системе СГС - бэрах (биологический эквивалент рентгена, МАР). Эквивалентная доза служит для оценки радиационной опасности различных видов излучений.

Эквивалентная доза характеризует биологический эффект любого ионизирующего излучения, приведенный к воздействию, который вызывают гамма-лучи:

Д=К-Дп,

где: Д - эквивалентная доза; Дт - поглощенная доза К - коэффициент качества излучения, который указывает, во сколько раз биологический эффект данного вида излучения отличается от такой же действия гамма-излучения. Для рентгеновского излучения К = 1. для нейтронов - К = 10, для альфа-излучения - К = 20.

При приближенных расчетах, связанных только с γ-излучением (для случаев внешнего облучения человека без загрязнения радиоактивной пылью) можно считать, что экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы практически равны 1 бэр = 1 рад = 1 рентген.

Планируя мероприятия гражданской защиты, пользуются показателем коллективного эквивалентной дозы, т.е. дозы, полученной группой людей (измеряется в человеко-зиверт). Коллективное эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за время его существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Поглощенная и экспозиционная дозы излучения, отнесенные к единице времени, определяют мощность дозы (уровень радиации).

Уровень радиации характеризует, например, степень загрязнения местности и указывает, какую дозу может получить человек, находясь на загрязненной местности, за определенное время. Уровень радиации измеряется в рентген / часах, рад / часам, бэр / часах.

Уровень радиации уменьшается в геометрической прогрессии из-за распада радиоактивных элементов. Скорость уменьшения зависит от периода полураспада изотопов, загрязнили территорию.

Период полураспада - время, за которое распадается половина атомов радиоактивного элемента (ТИ/2).

Так, если заражение произошло радиоактивным йодом с периодом полураспада 8 суток, уменьшение уровня радиации на местности будет идти быстро, а при заражении цезием и стронцием с периодами полураспада 28 и 30 лет - долго.

Пример задачи. В результате аварии возник загрязнения местности J131. Естественный фон местности к загрязнению составлял 15 мкР / ч, а в результате загрязнения вырос до 115 мкР / час. Составить график снижения радиационного фона на местности.

Количество радиоактивного йода, обеспечивающих уровень излучения на уровне 100 мкР / ч, принимаем за 100%. Зная период полураспада радиоактивного йода, можно вычислить его количество на любой момент времени по формуле

Мк = ,

где Мк - масса конечна, Мп - масса начальная, п - количество периодов полураспада, исчисляемый делением заданного времени на период полураспада Изотопа.

Результаты расчетов показывают, что уровень радиации при загрязнении радиоактивным йодом уменьшается практически до естественного фонового уровня примерно через 50 суток.

При загрязнении местности несколькими изотопами с различными периодами полураспада необходимо провести расчеты отдельно по каждому из них и определить средние значения с учетом их удельного содержания в общем загрязнении.

Во время Чернобыльской катастрофы основными радиоактивными элементами, которые привели к загрязнению были, йод-131 (J131), цезий-137 (Сs137) и стронций-90 (Sr90) с периодами полураспада соответственно 8 суток, 29,7 года и 28 лет, являются наиболее опасными для организма человека.